バイオリアクタ

バイオリアクタとは

図1. バイオリアクタの概要

バイオリアクタとは、酵素や細胞、微生物などによって起こされる生体内の化学反応機構を利用し、有用物質の生産や分析を行うシステムやその反応容器のことです。

生体内反応を利用する機構は、化学反応に比べると速度が遅いというデメリットがあります。しかし、副産物が少ない、触媒活性が低下しないなどの点で優れている手法です。

また、高温・ 高圧等の条件下に置かずとも進行するため、耐圧・耐熱の設備を準備する必要がなく、コスト面でも優れています。なお、広義の意味では、細胞を培養する装置などをバイオリアクタと呼んでいる場合があります。

バイオリアクタの使用用途

1. 産業

バイオリアクタは、食品、農業、畜産業、水産業、化学工業 (化成品) などの幅広い産業で利用されています。医療、診断サービス、分析などの分野でも活用されている他、資源エネルギーやバイオエレクトロニクスなどの分野にも用途のある装置です。

例えば、食品製造において、大豆や米、果汁に麹菌や酵母を反応させて味噌や醤油、日本酒やワインなどを製造する手法もバイオリアクタの1つと言えます。工業的な代表例には、 酵素の固定化 (反復利用が可能な状態とすること) によって、アミノ酸や糖類などを大量生産することがあります。

また、研究や医療の分野では、細胞培養により機能物質を細胞内に産生させ薬効物質として取り出す利用方法もあります。

2. 物理化学

バイオリアクタは、物理化学的な物質の検出・定量にも用いられている手法です。オートアナライザーは、固定化酵素を用いて化学反応を光学的に追跡し、多くの試料を連続的に分析することができます。

バイオセンサーは、反応を電気的に追跡する方法です。具体的な例として、酵素センサー、微生物センサー、半導体バイオセンサーなどがあります。

バイオリアクタの原理

バイオリアクタは、温度・pH・圧力などを制御・管理した反応容器内で、固定化された酵素などの反応素子に原料となる反応物質を反応させるという仕組みです。合成・分解・変換・除去を経て、目的物となる生成物質が得られます。

1. 反応素子

主な反応素子は、精製された酵素のほか、細胞や微生物が用いられます。酵素は生体における触媒であり、古典的に最もよく用いられる反応素子です。

広義では、植物細胞、肝細胞や血液細胞などの動物細胞、ミトコンドリアや色素体などの細胞内小器官、 ホルモン受容体や抗体等によって起こる反応も利用されています。

2. 反応素子の固定化

反応素子の固定化は、不溶性の担体に結合させる担体結合法が主流です。その他、反応素子同士を架橋させる架橋法、包括剤を利用した包括法などの方法があります。

反応素子が固定化されることで、反応素子と生成物質とを分離しやすくなります。また、反応素子は固定化させずに浮遊させて用いる方法もあります。

バイオリアクタの種類

図2. 研究用途のバイオリアクタのイメージ (左: 細胞培養用、右: マイクロバイオリアクタ)

バイオリアクタには様々な種類があります。酵素を用いて目的物質を得る古典的典型例のものから、細胞や微生物を培養して目的物質の産生を図るものなど、用途に合わせて形状は多種多様です。バイオ医薬品製造用の細胞培養及び菌体培養設備などが、バイオリアクタと呼ばれている場合もあります。

原料が液状である液体用バイオリアクターが最も一般的です。これに対して製麹、酵素工業などでは、原料が固体であるために固体用バイオリアクターが用いられます。また、植物細胞や藻類、光合成細菌など光合成を行う反応素子を用いる場合は、光の供給を 工夫した光合成用バイオリアクターが開発され、使用されています。

産業用途のバイオリアクタが比較的大型である一方、分析用途のバイオリアクタは比較的小型です。特に、マイクロバイオリアクターは反応生成物を回収せずに検出することが目的であり、数 mLからμLの液体を分析するものが開発されています。

バイオリアクタのその他情報

1. 反応場の状態

バイオリアクタは、液体状態もしくは固体状態のどちらで反応を行うかによって通気・撹拌混合・反応温度制御の方法が大きく異なります。 例えば、反応素子が好気性生物の場合は通気が必要なため、容器内で攪拌させる通気撹拌方式や、容器内のドラフトチューブから気泡を上昇させるエアリフト方式などを用います。

光合成生物の場合は、液体に溶解させた有機物や窒素・リン等の無機塩類、ビタミン等の生理活性物質や、光を供給させることが必要です。また、分析に利用するマイクロバイオリアクタの場合は、数μlオーダーの容器を用いることもあり、測定誤差を出さないようにより高度に温度や液量を制御できるようにしなければいけません。

2. バイオリアクタによる光学活性体の合成

バイオリアクタは、光学活性体の合成にもよく利用される手法です。光学活性体の合成に生体触媒を使用するメリットとしては、以下のような特徴が挙げられます。

• 常温、常圧、中性付近のpHという、扱いやすい環境において優れた触媒作用を示すものが多い
• 特定の化合物の特定の部位にのみ選択的な反応を起こすため、一般的に副生成物は少なく、収率が高い

3. バイオリアクタの再生医療への応用

図3. 幹細胞培養用のバイオリアクタのイメージ

iPS細胞などの多能性幹細胞を再生医療の分野で利用するためには、10億～100億個程度の細胞が安定的に供給される必要があります。バイオリアクタを用いた3次元浮遊培養システムは、再生医療に大量の細胞を供給する方法として注目されている手法です。

細胞にとって低ストレスで均一な撹拌を維持し、培養効率を高めるため、水車型攪拌翼などの撹拌機構が開発されています。

参考文献
http://www.sc.fukuoka-u.ac.jp/~bc1/Biochem/bioreact.htm
https://www.inpit.go.jp/blob/katsuyo/pdf/chart/fkagaku23.pdf
https://www.sbj.or.jp/wp-content/uploads/file/sbj/9209/9209_tokushu_4.pdf